RC Wall Bracing을 이용한 초고층 건축물의 최적구조설계에 대한 연구

Abstract

산업화에 따른 도시로의 인구집중은 많은 도시문제를 야기시켰으며, 이에 따른 해결책으로 토지효율을 극대화 하는 초고층 건축물이 등장하기 시작하였다. 건축물이 고층화 되면서 발생하는 수직하중과 횡하중은 저층 구조물에 비하여 구조물에 복잡한 영향을 미치게 되며, 특히 풍하중 및 지진하중 등의 횡하중에 대한 저항성능향상을 통하여 안전성뿐만 아니라 횡변위 제어와 같은 사용성 요구조건도 만족하여야 한다. 구조시스템은 초고층 구조물의 하중에 대한 저항성능을 좌우하는 중요한 요소이지만, 구조시스템의 적용에 있어서 설계기준이나 정량적인 지침이 없어 구조 엔지니어의 경험과 노하우에 의존하여 설계를 하게 되며, 이러한 방법은 결과적으로 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 따라서 본 연구에서는 건설이 예정된 116층, 439.5m의 초고층 건축물에 대하여 상용구조해석 프로그램을 사용한 모델링을 수행하고, 규준에서 제한하고 있는 횡변위(H/500)로부터 안정성을 확보한 상태에서 부재의 단면을 최소화한 여러 구조시스템에 대한 구조성능을 검토하였다. 또한 지금까지 국내 적용사례가 없는 철근콘크리트 Wall Bracing을 적용한 구조시스템이 합리적으로 설계되기까지 고려되는 요인들의 상호관계를 구체적으로 분석하여 초기구조설계 단계에서 활용할 수 있는 근간을 제공하고자 한다. 본 연구는 다음과 같이 5장으로 구성되어 있다. 제 1장은 연구의 배경, 목적, 범위, 내용을 기술하였다. 제 2장은 초고층 건축물에 주로 사용되는 이중골조, Tubular 구조, Out-rigger 구조 및 RC Wall bracing 구조에 대한 특징과 구조시스템에 대한 거동을 기술하였다. 제 3장은 이중골조, Tubular system, Out-rigger system, RC Wall bracing system을 적용한 116층, 439.5m의 초고층 건축물을 해석하였다. 해석결과에 대하여 경제성과 구조체의 강성을 평가하였으며, 비선형 정적해석 및 모델에 대한 동적해석결과를 기술하였다. 제 4장은 RC Wall bracing system의 Wall 요소의 재료강도, 두께, 분포위치 등이 구조체의 강성에 미치는 영향과 분포위치에 따른 횡변위 제어성능을 평가하였다. 제 5장은 본 연구를 수행하여 얻은 결론을 기술하였다. 본 연구의 대상 건물에 적용되는 4가지 구조시스템에 대하여 정적해석 결과에 따른 사용성 및 경제성에 대한 평가와 동적해석을 수행하고, RC Wall bracing system의 Wall bracing 요소의 재료강도, 두께, 분포위치를 변화시킨 모델을 해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 이중골조, Tubular system, Out-rigger system, RC Wall bracing system의 횡변위를 동일하게 하여 구조물량을 비교한 결과, Out-rigger system > 이중골조 > Tubular system > RC Wall bracing system 순으로 나타났으며, 이는 RC Wall bracing system의 Wall bracing 요소가 횡강성을 증대시켜 다른 구조시스템에 비하여 기둥과 코어전단벽의 물량을 감소시키기 때문인 것으로 판단된다. 2) 구조시스템이 적용된 각각의 모델들은 내진설계범주 D에 해당하여 동적해석이 수반되어야 한다. 응답스펙트럼 해석결과 모델들은 8.95- 11.01초의 진동주기를 보였으며, 질량 편심이 적은 것으로 나타났다. 또한 전도모멘트에 대한 안전성을 확보하는 것으로 나타났다. 3) RC Wall bracing system에서 Wall bracing 요소의 재료강도를 90MPa까지 증가시킨 결과 콘크리트 강도 증가에 따른 효과는 미비한 것으로 나타났으며, Wall bracing 요소의 두께가 0.2m에서 0.9m로 증가할 경우 두께 0.7m까지는 두께 증가에 대한 효과가 있었으나 이후에는 효과가 적은 것으로 나타났다. 4) RC Wall bracing system에서 Wall bracing 요소의 분포위치를 1/4H, 2/4H, 3/4H, 4/4H로 변화시켜 해석한 결과 2/4H, 3/4H, 4/4H, 1/4H의 순서로 횡변위 제어에 효과적이었으며, Wall braicng 요소가 건축물 전체에 적용되었을 경우와 적용되지 않았을 경우를 포함하여 구조물량에 대비한 효과를 비교한 결과 구조물 전체에 Wall bracing을 설치하였을 때 가장 효과적인 것으로 나타났다. 5) 본 연구에 사용된 모델은 정방형 평면을 갖는 초고층 건축물로 일반적으로 초고층 건축물이 장방형, 또는 비정형 평면으로 계획되는 경우가 많으므로 비정형 평면을 갖는 초고층 건축물의 연구가 필요할 것으로 판단된다.; Population concentration has been raised many urban problems. Super Tall buildings have improved high efficiency for finding a solution to urban problems. But super tall buildings are generated heavier vertical load and lateral load than low-rise, that makes complicated behavior of super tall buildings. When the aspect-ratio is more than 1:5, the super tall buildings need special structural system to resist from lateral loads which is like wind and earthquake load. Even though the structural system is very important element for lateral displacement control, there are no quantitatively guideline and design codes that apply to super tall buildings, that is in need of many times and efforts for structural design in the event. In this study, modeling for a RC super tall building that was planed on 116 stories scale in Busan city. We performed structural analysis using MIDAS Gen(ver. 7.4.1) is applied KBC 2005 criterion for the 4 structure types, shear-wall system, tubular system, out-rigger system, RC wall bracing system. Also, for furnishing data using RC wall bracing structure design, factors used for structural design analyzed. This study consists of 5 chapters as follows; Chapter 1 : Described background, purpose, range and contents for study. Chapter 2 : Described a characteristic and structural behavior of shear-wall system, Tubular system, out-rigger system and RC wall bracing system. Chapter 3 : Analyzed an economic feasibility, stiffness and response spectrum of shear-wall system, Tubular system, out-rigger system and RC wall bracing system. Chapter 4 : Evaluation of material strength, thickness and vertical distribution of wall element from RC wall bracing system. Chapter 5 : Described conclusion of this study. Reached a conclusion through comparative analysis about 4 types of structural system. 1) As compared amount of structural material with 4 types of structural system, out-rigger system > Shear-wall system > Tubular system > RC wall bracing system, orderly. 2) As a result of response spectrum analysis, structural models has period of 8.95-11.01 seconds. All structure models are satisfied criterion of over turning moment 3) A vertical distribution of wall element in RC wall bracing system was effective in 2/4H > 3/4H > 4/4H > 1/4H, orderly. For increasing stiffness of buildings, an effectiveness of material strength and thickness was insignificant. 4) Though super tall buildings has rectangular shape plan, structural models have square shape plan in this study. Therefore variable studies are in need of rectangular shape plan of structural analysis models.